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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Spritzlochscheibe für ein Ventil bzw. von einem
Verfahren zur Herstellung von Abspritzöffnungen in einer Spritzlochscheibe
nach der Gattung des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 3. In der
deutschen Patentanmeldung P
42 21 185 A1 wurde bereits vorgeschlagen, durch Stanzen
oder Erodieren Abspritzöffnungen
in Spritzlochscheiben zu erzeugen, die nach einem zusätzlichen
Verfahrensschritt durch teilweises Tiefziehen der Spritzlochscheibe
eine von einer Zylinderform abweichende Gestalt besitzen. Die Abspritzöffnungen
werden bei dieser bekannten Spritzlochscheibe zunächst in
einem ebenen Blechabschnitt durch Stanzen oder Erodieren senkrecht
und zylindrisch eingebracht. In einem folgenden Verfahrensschritt wird
ein zentraler Bereich der Spritzlochscheibe, in dem sich die Abspritzöffnungen
befinden, durch Tiefziehen plastisch verformt, wodurch der zentrale
Bereich der Spritzlochscheibe eine gewölbte Gestalt annimmt. Das Tiefziehen
hat zur Folge, daß die
Abspritzöffnungen
stromabwärts
weiter gedehnt werden als stromaufwärts, so daß kegelstumpfförmige Erweiterungen
der Abspritzöffnungen
auftreten.
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Da
der zentrale Bereich der Spritzlochscheibe gewölbt ist, verläuft die
mindestens eine Abspritzöffnung
geneigt zu einer Ventillängsachse
und die kegelstumpfförmige
Erweiterung ist nicht unbedingt vollständig symmetrisch über die
gesamte Länge
der Abspritzöffnung.
Die Abspritzöffnungen
werden also in zylindrischer Form eingebracht und erst durch ein zusätzliches
Verfahren stromabwärts
aufgeweitet.
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Außerdem ist
bereits aus der
DE
38 01 778 A1 bekannt, eine Blende aus einem Werkstoff großer Naturhärte, beispielsweise
aus monokristallinem Silizium, für
Brennstoffeinspritzventile zu verwenden, deren Brennstoffaustrittsöffnungen
durch Ätzen
hergestellt sind. Um von der Zylinderform abweichende Konturen der
Brennstoffaustrittsöffnungen
herzustellen, kommt nach dem Ätzen
noch ein aufwendiges und kostspieliges Verfahren mit energiereicher
Strahlung, z. B. Laserstrahlung, zum Einsatz.
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Aus
der
US 4,907,748 A sind
bereits Ausführungsformen
von Einspritzventilen mit jeweils einer ein- oder zweiteiligen Düsenplattenkonstruktion
bekannt. Diese bekannten Lochscheiben stellen Spritzlochscheiben
dar und werden durch Plättchen
gebildet, die aus Silizium bestehen. Die in ihnen eingebrachten
Abspritzöffnungen
besitzen Öffnungsachsen,
wobei die Abspritzöffnungen
parallel zu einer Ventillängsachse
verlaufen und sich deren Querschnitte in Strömungsrichtung erweitern. Die
Abspritzöffnungen
sind symmetrisch um die parallel zur Ventillängsachse verlaufende Öffnungsachse
ausgebildet.
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Mit
der bekannten Maskentechnik werden durch Ätzen auf Siliziumwafern, die
eine Vielzahl von Lochscheibenstrukturen aufweisen, die Ein- und Auslassöffnungen
bzw. Abspritzöffnungen
in den Düsenplatten
erzeugt. Die pyramidenstumpfförmigen Konturen
für alle Öffnungen
in den Spritzlochscheiben ergeben sich in logischer Weise aus der
anisotropen Ätztechnik.
Diese bekannten Spritzlochscheiben aus Silizium besitzen den Nachteil
einer eventuell nicht ausreichenden Bruchfestigkeit, die sich durch
die Sprödigkeit
von Silizium ergibt. Gerade bei Dauerbelastungen z. B. an einem
Einspritzventil (Motorschwingungen) besteht die Gefahr, dass die
Siliziumplättchen
brechen. Die Montage der Siliziumplättchen an metallischen Bauteilen,
wie beispielsweise an Einspritzventilen, ist aufwendig, da besondere spannungsfreie
Klemmlösungen
gefunden werden müssen
und die Abdichtung am Ventil problematisch ist. Ein Anschweißen der
Lochscheiben aus Silizium am Einspritzventil ist z. B. nicht möglich. Außerdem besteht
der Nachteil einer Kantenabnutzung an den Öffnungen der Siliziumscheiben
beim oftmaligen Durchströmen
mit einem Fluid.
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Aus
der
DE 32 33 994 A1 ist
bereits ein Verfahren zum Herstellen von Mikrobohrungen unter Anwendung
der Funkenerosion bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren zum Herstellen
von Mikrobohrungen auf funkenerosivem Wege wird ein Werkstück bearbeitet,
wobei das Werkstück
auf der Unterseite mit einem Druck beaufschlagt wird. Der eigentliche Lochdurchbruch
wird dann erreicht, wenn ein einzelner Funke am Grunde des Sacklochs
an einer Stelle partiell die noch verbleibende Wand durchschmilzt. Dadurch
wird an dieser Stelle die flüssige
Metallschmelze infolge des hohen Drucks an der Unterseite des Werkstücks durch
den bereits exodierten Teil des Lochs nach außen geschleudert, wodurch dann
der eigentliche Lochdurchbruch erfolgt. Unmittelbar nach Lochentstehung
wird die Funkenerosion abgeschaltet. Als unter Druck stehendes Fluid
wird CO
2 verwendet. Der Zeitpunkt des Durchbruchs
wird dadurch sichtbar gemacht, dass mit der Lochentstehung das unter
Druck stehende Gas CO
2 austritt und dies
deutlich durch in der Dielektrikumsflüssigkeit aufsteigende Gasbläschen zu
erkennen ist. Auf derartige Weise hergestellte Löcher/Spalte Sp können nicht
sicher reproduzierbar hergestellt werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einerseits eine Spritzlochscheibe,
insbesondere für
ein Einspritzventil, bereitzustellen, die in Strömungsrichtung sich kegelstumpfförmig erweiternde
Abspritzöffnungen
aufweist, die aufgrund des Ausgangsmaterials dazu besonders bruchfest
und einfach, stabil und dauerhaft befestigbar an einem metallischen
Ventilkörper
ist, und andererseits mit einem Verfahren die Abspritzöffnungen
in der Spritzlochscheibe einzubringen, bei dem ganz gezielt in gewünschter
Weise die Konizität
der Abspritzöffnungen
dosiert eingestellt werden und eine hohe Reproduzierbarkeit der
entsprechenden Konturen erreicht werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Spritzlochscheibe
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil,
daß aufgrund
der parallel zur Ventillängsachse
verlaufenden mindestens einen Abspritzöffnung mit positiver Konizität, d. h.
mit einer sich stromabwärts
kegelstumpfförmig
erweiternden Wandung, das durch diese, Abspritzöffnung strömende Medium außer am als
Lochblende wirkenden Strömungseintritt
abgelöst
von der Wandung der Abspritzöffnung
diese durchströmt.
Die Wandung der Abspritzöffnung
verläuft
dabei vollständigotations
symmetrisch um eine Öffnungsachse.
Besonders vorteilhaft bei der Ausbildung der Abspritzöffnung ist
der Wegfall zusätzlicher
Nachbearbeitungsverfahren, so daß die durch Erodieren ursprünglich geschaffene Gestalt
der Abspritzöffnung
belassen werden kann.
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Die
parallel zur Ventillängsachse
eingebrachten Abspritzöffnungen
mit positiver Konizität haben
den Vorteil, daß ein
Strahlspringen an der inneren Wandung verhindert wird, so daß Streuungen der
Durchflußmengen
des Mediums durch die Abspritzöffnungen
bei der Fertigung großer
Stückzahlen minimal
gehalten werden können.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung von Abspritzöffnungen
in einer Spritzlochscheibe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs
3 hat den Vorteil, eine besonders einfache, zeitsparende und kostengünstige Herstellung der
sich kegelstumpfförmig
erweiternden Abspritzöffnungen
in der Spritzlochscheibe zu ermöglichen.
Die mindestens eine Abspritzöffnung
wird äußerst präzise und
zwar parallel zur Ventillängsachse
eingebracht, ohne daß danach
eine weitere Behandlung der Abspritzöffnung nötig ist. Mit Hilfe einer in
die Spritzlochscheibe eindringenden Werkzeugelektrode entgegen der
späteren
Strömungsrichtung
des Mediums, beispielsweise Brennstoff, wird Material der Spritzlochscheibe
abgeschmolzen, das entgegen der Bewegung der Werkzeugelektrode durch
einen Arbeitsspalt mit einem Dielektrikum herausgespült wird. Dabei
entsteht bereits aufgrund der Verkürzung der Funkenstrecke von
der Werkzeugelektrode zur Wandung der Abspritzöffnung durch die abgelösten und im
Dielektrikum mitgespülten
Partikel die konische Form der Abspritzöffnung, die am Eintritt der
Werkzeugelektrode in die Spritzlochscheibe ihren größten Durchmesser
hat. Um nach dem Durchstoßen
der Spritzlochscheibe mit der Werkzeugelektrode die beim Erodieren
entstandene und wegen der minimalen Streuung der Durchflußmengen
gewünschte
Konizität
beizubehalten, ist es besonders vorteilhaft, ein Dielektrikum von
der dem Eintritt der Werkzeugelektrode gegenüberliegenden Seite der Spritzlochscheibe
zum Gegenspülen
einzusetzen. Das unter Druck eingesetzte Dielektrikum sorgt dafür, daß die abgelösten Partikel
nur in Richtung des Eintritts der Werkzeugelektrode aus der Spritzlochscheibe
austreten und verstärkt
das Spülen
in entgegengesetzter Richtung zum Erodiervorgang. Somit bleibt die
ursprünglich
erzeugte Konizität
der Abspritzöffnung
erhalten.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch
1 angegebenen Spritzlochscheibe und des im Anspruch 3 angegebenen
Verfahrens möglich.
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Zeichnungen
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen 1 ein teilweise dargestelltes
Brennstoffeinspritzventil mit einer erfindungsgemäßen Spritzlochscheibe, 2 die
Spritzlochscheibe, 3 eine erfindungsgemäße Abspritzöffnung mit
positiver Konizität, 3A und 3B Abspritzöffnungen,
mit negativer Konizität
bzw. zylindrischer Gestalt, 3C ein
Diagramm der Streuung der statischen Durchflußmenge durch die in den 3, 3A und 3B gezeigten
Abspritzöffnungen
in Abhängigkeit von
der Konizität
und 4 die Herstellung einer erfindungsgemäßen Spritzlochscheibe.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In
der 1 ist als ein Ausführungsbeispiel ein Ventil in
der Form eines Einspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen
von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen
teilweise dargestellt. Das Einspritzventil hat einen rohrförmigen Ventilsitzträger 1,
in dem konzentrisch zu einer Ventillängsachse 2 eine Längsöffnung 3 ausgebildet ist.
In der Längsöffnung 3 ist
eine z. B. rohrförmige Ventilnadel 5 angeordnet,
die an ihrem stromabwärtigen
Ende 6 mit einem z. B. kugelförmigen Ventilschließkörper 7,
an dessen Umfang beispielsweise fünf Abflachungen 8 vorgesehen
sind, verbunden ist.
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Die
Betätigung
des Einspritzventils erfolgt in bekannter Weise beispielsweise elektromagnetisch. Zur
axialen Bewegung der Ventilnadel 5 und damit zum Öffnen entgegen
der Federkraft einer nicht dargestellten Rückstellfeder bzw. Schließen des
Einspritzventils dient ein angedeuteter elektromagnetischer Kreis
mit einer Magnetspule 10, einem Anker 11 und einem
Kern 12. Der Anker 11 ist mit dem dem Ventilschließkörper 7 abgewandten
Ende der Ventilnadel 5 durch z. B. eine Schweißnaht mittels
eines Lasers verbunden und auf den Kern 12 ausgerichtet. Die
Magnetspule 10 umgibt den Kern 12, der das sich durch
die Magnetspule 10 umschließende Ende eines nicht näher gezeigten
Einlaßstutzens,
der der Zufuhr des mittels des Ventils zuzumessenden Mediums, hier
Brennstoff, dient, darstellt.
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Zur
Führung
des Ventilschließkörpers 7 während der
Axialbewegung dient eine Führungsöffnung 15 eines
Ventilsitzkörpers 16.
In das stromabwärts liegende,
dem Kern 11 abgewandte Ende des Ventilsitzträgers 1 ist
in der konzentrisch zur Ventillängsachse 2 verlaufenden
Längsöffnung 3 der
zylinderförmige
Ventilsitzkörper 16 durch
Schweißen
dicht montiert. Der Umfang des Ventilsitzkörpers 16 weist einen geringfügig kleineren
Durchmesser auf als die Längsöffnung 3 des
Ventilsitzträgers 1.
An seiner einen, dem Ventilschließkörper 7 abgewandten,
unteren Stirnseite 17 ist der Ventilsitzkörper 16 mit
einem Bodenteil 20 einer z. B. topfförmig ausgebildeten Spritzlochscheibe 21 konzentrisch
und fest verbunden, so daß das
Bodenteil 20 mit seiner oberen Stirnseite 19 an
der unteren Stirnseite 17 des Ventilsitzkörpers 16 anliegt.
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Die
Verbindung von Ventilsitzkörper 16 und Spritzlochscheibe 21 erfolgt
beispielsweise durch eine umlaufende und dichte, z. B. mittels eines
Lasers ausgebildete erste Schweißnaht 22. Durch diese
Art der Montage ist die Gefahr einer unerwünschten Verformung des Bodenteils 20 in
seinem zentralen Bereich 24, in dem sich wenigstens eine,
beispielsweise vier durch Erodieren ausgeformte Abspritzöffnungen 25 mit
positiver Konizität,
also mit stromabwärts
kegelstumpfförmig
verlaufenden Erweiterungen befinden, vermieden.
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An
das Bodenteil 20 der topfförmigen Spritzlochscheibe 21 schließt sich
ein umlaufender Halterand 26 an, der sich in axialer Richtung
dem Ventilsitzkörper 16 abgewandt
erstreckt und bis zu seinem Ende 27 hin konisch nach außen gebogen
ist. Dabei weist der Halterand 26 an seinem Ende 27 einen
größeren Durchmesser
auf als den Durchmesser der Längsöffnung 3 des
Ventilsitzträgers 1.
Da der Umfangsdurchmesser des Ventilsitzkörpers 16 kleiner als
der Durchmesser der Längsöffnung 3 des
Ventilsitzträgers 1 ist,
liegt nur zwischen der Längsöffnung 3 und
dem leicht konisch nach außen
gebogenen Halterand 26 der Spritzlochscheibe 21 eine
radiale Pressung vor. Dabei übt
der Halterand 26 eine radiale Federwirkung auf die Wandung
der Längsöffnung 3 aus.
Dadurch wird beim Einschieben des aus Ventilsitzkörper 16 und
Spritzlochscheibe 21 bestehenden Ventilsitzteils in die
Längsöffnung 3 des
Ventilsitzträgers 1 eine
Spanbildung am Ventilsitzteil und an der Längsöffnung 3 vermieden.
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Die
Einschubtiefe des aus Ventilsitzkörper 16 und topfförmiger Spritzlochscheibe 21 bestehenden
Ventilsitzteils in die Längsöffnung 3 bestimmt
die Voreinstellung des Hubs der Ventilnadel 5, da die eine
Endstellung der Ventilnadel 5 bei nicht erregter Magnetspule 10 durch
die Anlage des Ventilschließkörpers 7 an
einer Ventilsitzfläche 29 des
Ventilsitzkörpers 16 festgelegt
ist.
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Die
andere Endstellung der Ventilnadel 5 wird bei erregter
Magnetspule 10 beispielsweise durch die Anlage des Ankers 11 an
dem Kern 12 festgelegt. Der Weg zwischen diesen beiden
Endstellungen der Ventilnadel 5 stellt somit den Hub dar.
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An
seinem Ende 27 ist der Halterand 26 der Spritzlochscheibe 21 mit
der Wandung der Längsöffnung 3 beispielsweise
durch eine umlaufende und dichte zweite Schweißnaht 30 verbunden.
Die zweite Schweißnaht 30 ist
wie die erste Schweißnaht 22 z. B.
mittels eines Lasers ausgebildet. Eine dichte Verschweißung von
Ventilsitzkörper 16 und
Spritzlochscheibe 21 sowie von Spritzlochscheibe 21 und
Ventilsitzträger 1 ist
erforderlich, damit das verwendete Medium nicht zwischen der Längsöffnung 3 des
Ventilsitzträgers 1 und
dem Umfang des Ventilsitzkörpers 16 hindurch
zu den Abspritzöffnungen 25 oder
zwischen der Längsöffnung 3 des
Ventilsitzträgers 1 und dem
Halterand 26 der topfförmigen
Spritzlochscheibe 21 hindurch unmittelbar in eine Ansaugleitung
der Brennkraftmaschine strömen
kann.
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Der
kugelförmige
Ventilschließkörper 7 wirkt mit
der sich in Strömungsrichtung
kegelstumpfförmig verjüngten Ventilsitzflächen 29 des
Ventilsitzkörpers 16 zusammen,
die in axialer Richtung zwischen der Führungsöffnung 15 und der
unteren Stirnseite 17 des Ventilsitzkörpers 16 ausgebildet
ist. Der Ventilsitzkörper 16 weist
der Magnetspule 10 zugewandt eine Ventilsitzkörperöffnung 34 auf,
die einen größeren Durchmesser
besitzt als den Durchmesser der Führungsöffnung 15 des Ventilsitzkörpers 16.
Ein sich in Richtung der Spritzlochscheibe 21 an die Ventilsitzkörperöffnung 34 anschließender Abschnitt 33 zeichnet
sich durch seine kegelstumpfförmige
Verjüngung
bis zum Durchmesser der Führungsöffnung 15 aus.
Die Ventilsitz körperöffnung 34 mit
ihrem nachfolgenden kegelstumpfförmigen
Abschnitt 33 dient als Strömungseinlaß, damit eine Strömung des Mediums
von einem in radialer Richtung durch die Längsöffnung 3 des Ventilsitzträgers 1 begrenzten Ventilinnenraum 35 zu
der Führungsöffnung 15 des Ventilsitzkörpers 16 erfolgen
kann.
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Damit
die Strömung
des Mediums auch die Abspritzöffnungen 25 der
Spritzlochscheibe 21 erreicht, sind am Umfang des kugelförmigen Ventilschließkörpers 7 beispielsweise
fünf Abflachungen 8 eingebracht.
Die fünf
kreisförmigen
Abflachungen 8 ermöglichen
das Durchströmen
des Mediums im geöffneten
Zustand des Einspritzventils vom Ventilinnenraum 35 bis
zu den sich kegelstumpfförmig
erweiternden Abspritzöffnungen 25 der
Spritzlochscheibe 21. Zur exakten Führung des Ventilschließkörpers 7 und
damit der Ventilnadel 5 während der Axialbewegung ist
der Durchmesser der Führungsöffnung 15 so ausgebildet,
daß der
kugelförmige
Ventilschließkörper 7 außerhalb
seiner Abflachungen 8 die Führungsöffnung 15 mit geringem
radialem Abstand durchragt.
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Am
Umfang des Ventilsitzträgers 1 ist
an seinem stromabwärtigen,
der Magnetspule 10 abgewandten Ende eine Schutzkappe 40 angeordnet
und mittels beispielsweise einer Rastverbindung mit dem Ventilsitzträger 1 verbunden.
Ein Dichtring 41 dient zur Abdichtung zwischen dem Umfang
des Einspritzventils und einer nicht dargestellten Ventilaufnahme, beispielsweise
der Ansaugleitung der Brennkraftmaschine.
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Die 2 zeigt
die Spritzlochscheibe 21 mit ihren im zentralen Bereich 24 angeordneten
Abspritzöffnungen 25,
die sich stromabwärts
kegelstumpfförmig
erweitern, also in Strömungsrichtung
gesehen eine positive Konizität
aufweisen. Die beispielsweise vier Abspritzöffnungen 25 befinden
sich z. B. symmetrisch um die Ventil längsachse 2 in Form
von Eckpunkten eines Quadrates verteilt und besitzen damit jeweils
den gleichen Abstand zueinander und zur Ventillängsachse 2.
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In
der 3 ist eine vergrößerte Abspritzöffnung 25 mit
positiver Konizität
im Bodenteil 20 der Spritzlochscheibe 21 dargestellt.
Die Strichlinien mit Pfeilen verdeutlichen die Strömung des
Mediums, beispielsweise eines Brennstoffs, innerhalb der Abspritzöffnung 25.
Beim Durchströmen
des Brennstoffs in der Abspritzöffnung 25 gibt
es aufgrund der Strömgeschwindigkeit
und einer sich erweiternden kegelstumpfförmigen Wandung 44 der
Abspritzöffnung 25 einen
ringförmigen
Bereich 45 der Strömungsablösung, in
dem nahezu keine Berührung
der Mediumströmung
mit der Wandung 44 der Abspritzöffnung 25 erfolgt.
Dieser nahezu mediumfreie, ringförmige
Bereich 45 vergrößert sich
stromabwärts
in seinem äußeren Durchmesser
D wie der Durchmesser der Abspritzöffnung 25. Der innere
Durchmesser d des ringförmigen
Bereichs 45 bleibt weitgehend konstant, da dieser durch
den Rand des senkrecht stromabwärts
strömenden
Mediums gebildet wird. Idealerweise beginnt der ringförmige Bereich 45 der Strömungsablösung unmittelbar
stromabwärts
eines Strömungseintritts 47 der
Abspritzöffnung 25.
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Die
Abspritzöffnungen 25 sind
also derart ausgebildet, daß an
dem Strömungseintritt 47 ein Lochblendeneffekt
mit Strömungsstrahleinschnürung erreicht
wird. Da sich unmittelbar stromabwärts des Strömungseintritts 47 die
Abspritzöffnung 25 erweitert,
hebt das strömende
Medium nach dem als Lochblende wirkenden Strömungseintritt 47 von
der Wandung 44 der Abspritzöffnung 25 ab. Ein
Wiederanlegen der Strömung
an die Wandung 44 der Abspritzöffnung 25 nach dem
Eintritt in die Abspritzöffnung 25 wird
vorteilhafterweise durch die positive Konizität verhindert, wodurch beispielsweise
Schwankungen der statischen Durchflußmenge Qstat vermieden
werden. Der größte Durchmesser
der Abspritzöffnung 25 am
Austritt 48 der Strömung
ist beispielsweise 5 bis 20 Mikrometer größer als der Durchmesser der
Abspritzöffnung 25 am
Strömungseintritt 47 bei
einer Länge
1 von ca. 200 Mikrometer der Abspritzöffnung 25. Durch die
erfindungsgemäße Ausbildung
der Abspritzöffnungen 25 mit
positiver Konizität
in der Spritzlochscheibe 21 wird gewährleistet, daß kein Strahlspringen
erfolgt, d. h. die Strömung
kann nicht zwischen an der Wandung 44 anliegendem Zustand und
von der Wandung 44 abgelöstem Zustand wechseln, wodurch
die Durchflußmenge
pro Zeiteinheit konstant bleibt. Die Abspritzöffnungen 25 mit positiver
Konizität
verhindern folglich das Strahlspringen an der Wandung 44 der
Abspritzöffnungen 25 und damit
auch Mengenänderungen
der statischen Durchflußmenge
Qstat, womit vor allen Dingen die Streuungen
der Durchflußmenge
durch die Abspritzöffnungen 25 bei
der Fertigung großer
Stückzahlen von
Spritzlochscheiben 21 sehr klein gehalten werden können.
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Im
Gegensatz dazu zeigen die 3A eine Abspritzöffnung 25A mit
negativer Konizität
in einer Spritzlochscheibe 21A und die 3B eine
zylindrische Abspritzöffnung 25B ohne
Konizität
in einer Spritzlochscheibe 21B.
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Die
durch die Abspritzöffnung 25A fließende Mediumströmung, die
ebenfalls mit Strichlinien und Pfeilen gekennzeichnet ist, liegt
an einer kegelstumpfförmig
verlaufenden, sich stromabwärts
verjüngenden
Wandung 44A der Abspritzöffnung 25A an, die
sich jedoch schon bei minimaler Schiefstellung der Spritzlochscheibe 21A ablösen kann.
Die Abspritzöffnungen 25A mit
negativer Konizität
haben zur Folge, daß erhebliche
Schwankungen der Durchflußmenge
durch Fließzeitunterschiede
und Wechseln von anliegender und abgelöster Strömung auftreten können. Das
Problem des Wechselns zwischen anliegender und abgelöster Strömung an
einer Wandung 44B kann ebenfalls bei der in der 3B dargestellten
zylindrischen Abspritzöffnung 25B vorkommen,
in der die anliegende bzw. abgelöste
Strömung
vereinfacht und übertrieben
gezeigt ist. Ein exakt zylindrisches Erodieren der Abspritzöffnungen 25B mit
Abweichungen im Nanometerbereich ist zudem äußerst kostenintensiv, so daß jede zylindrische Abspritzöffnung 25B doch
eine minimale positive und/oder negative Konizität aufweist, wodurch Streuungen
der Durchflußmengen
des Mediums durch die Abspritzöffnungen 25B bei
der Fertigung großer Stückzahlen
an Spritzlochscheiben 21B erklärbar sind.
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Die 3C zeigt
ein Diagramm der Streuung der statischen Durchflußmenge Qstat in Abhängigkeit von der Konizität der Abspritzöffnungen 25, 25A und 25B,
die als Änderung
der Austrittsfläche
AA zur Eintrittsfläche AE aufgetragen
ist. Dabei wird die wesentlich geringere Streuung der Durchflußmenge bei
Abspritzöffnungen 25 mit
positiver Konizität
gegenüber den
zylindrischen Abspritzöffnungen 25B bzw.
den Abspritzöffnungen 25A mit
negativer Konizität
deutlich.
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Die
Herstellung der Abspritzöffnungen 25 mit positiver
Konizität
erfolgt durch ein Erodierverfahren, das in der 4 vereinfacht
und schematisch dargestellt ist, unter Einsatz eines Dielektrikums 50,
wie z. B. Wasser. Das Erodieren ist ein Verfahren, bei dem kurzzeitige,
nichtstationäre,
zeitlich getrennte elektrische Entladungen zwischen einer Werkzeugelektrode 51 und
dem Werkstück,
hier der Spritzlochscheibe 21, erfolgen, um Material am
Werkstück
abzutragen. Dabei ist zwischen der Werkzeugelektrode 51 und der
Spritzlochscheibe 21 das flüssige Dielektrikum 50 vorgesehen.
Damit ist es möglich,
die Kontur der nach Maß und
Form hergestellten Werkzeugelektrode 51 in die Abspritzöffnung 25 der
Spritzlochscheibe 21 zu übertragen. Um eine definierte
Auflage der Spritzlochscheibe 21 zu gewährleisten und ein Eintauchen
der Werkzeugelektrode 51 in der Spritzlochscheibe 21 genau
senkrecht zu einer unteren Stirnseite 52 des Bodenteils 20 der
Spritzlochscheibe 21 zu erreichen, ist die Spritzlochscheibe 21 mittels
Lagern 53 auf beispielsweise einem Werkstücktisch 54 präzise gelagert.
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Die
Bearbeitung der Spritzlochscheibe 21 zur Ausbildung der
Abspritzöffnungen 25 erfolgt
also von der stromabwärtigen
unteren Stirnseite 52 aus, d. h. der Erodiervorgang erfolgt
in entgegengesetzter Richtung zur späteren Strömungsrichtung des Brennstoffs.
An der unteren Stirnseite 52 der Spritzlochscheibe 21,
die während
des Erodiervorganges der Werkzeugelektrode 51 zugewandt
ist, entsteht die Austrittsfläche
AA der Abspritzöffnung 25 und an der
oberen Stirnseite 19 der Spritzlochscheibe 21 die Eintrittsfläche AE der Abspritzöffnung 25. Während des
Durchdringens der Werkzeugelektrode 51 durch die Spritzlochscheibe 21 von
der unteren Stirnseite 52 bis zur oberen Stirnseite 19 wird
elektrodenseitig drucklos mit dem Dielektrikum 50 gespült. Neben dem
Herausspülen
der abgetragenen Partikel kühlt das
Dielektrikum 50 die Werkzeugelektrode 51 und dient
der Isolierung. Bis zum Erreichen der oberen Stirnseite 19 der
Spritzlochscheibe 21 erfolgt die Spülung mit dem Dielektrikum 50 von
der unteren Stirnseite 52 der Spritzlochscheibe 21 her.
Solange die Werkzeugelektrode 51 nicht durch das Material der
Spritzlochscheibe 21 durchgedrungen ist, müssen die
gelösten
Partikel zur unteren Stirnseite 52 befördert und dort ausgespült werden.
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Aufgrund
der Zeitdifferenz zwischen dem Erodieren an der unteren Stirnseite 52 der
Spritzlochscheibe 21 und dem Erodieren an der oberen Stirnseite 19 der
Spritzlochscheibe 21 und der Wegstrecke der gelösten Partikel
aus einem zwischen der Werkzeugelektrode 51 und der Wandung 44 der
entstehenden Abspritzöffnung 25 gebildeten
Arbeitsspalt 56 heraus wird über die Länge 1 ungleichmäßig Material
von der Wandung 44 abgeschmolzen. Auf ihrem Weg zur unteren
Stirnseite 52 verkürzen
nämlich
die Partikel die Funkenstrecke von der Werkzeugelektrode 51 zur
Wandung 44, so daß am
Eintritt der Werkzeugelektrode 51 mehr Material abgetragen wird
als an der momentanen Stellung der Vorderseite 58 der Werkzeugelektrode 51.
Durch den Erodiervorgang in der Spritzlochscheibe 21 entsteht
bis zum Erreichen der oberen Stirnseite 19 somit eine konische Kontur
der Wandung 44.
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Unmittelbar
nach dem Durchstoßen
der Werkzeugelektrode 51 an der oberen Stirnseite 19 der
Spritzlochscheibe 21 können
die gelösten
Partikel in Richtung Werkstücktisch 54 austreten,
so daß die
erreichte Konizität
der Wandung 44 sehr schnell kompensiert würde und
die gebildete Abspritzöffnung 25 eine
zylindrische Gestalt erhalten würde.
Um die wegen der minimalen Streuungen der Durchflußmengen
gewünschte,
beim Erodieren entstandene Konizität beizubehalten, wird ein Dielektrikum 50A,
z. B. ebenfalls Wasser, beispielsweise durch einen Kanal im Werkstücktisch 54 zur
Gegenspülung
bereitgestellt. Das Gegenspülen
mit dem Dielektrikum 50A erfolgt in Richtung vom Werkstücktisch 54 in
die Abspritzöffnung 25 der
Spritzlochscheibe 21 hinein. Besonders wichtig ist das
Vorhandensein der Gegenspülung
des Dielektrikums 50A bereits während des Erodiervorgangs in
der Spritzlochscheibe 21, damit zum Zeitpunkt des Durchstoßens der
Werkzeugelektrode 51 durch das Material der Spritzlochscheibe 21 die
Gegenspülung
schon an der oberen Stirnseite 19 wirksam ist.
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Um
ein Austreten des Dielektrikums 50 aus der Spritzlochscheibe 21 an
der oberen Stirnseite 19 zu vermeiden, strömt das Dielektrikum 50A unter
einem Druck p, der größer als
der Atmosphärendruck ist,
in entgegengesetzter Richtung zur Arbeitsrichtung der Werkzeugelektrode 51.
Das Gegenspülen mit
dem Dielektrikum 50A gewährleistet, daß sämtliche
abgetragene Partikel über
die untere Stirnseite 52 abfließen und damit die Kompensation
der Konizität
verhindert wird. Die Werkzeugelektrode 51 wird bereits
während
des Gegenspülvorganges
mit dem Dielektrikum 50A aus der Spritzlochscheibe 21 vom Werkstücktisch 54 weg
zur unteren Stirnseite 52 herausgefahren.
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Die
Größe der Konizität, d. h.
der Winkel der Wandung 44 zu einer parallel zur Ventillängsachse 2 verlaufenden Öffnungsachse 60 der
Abspritzöffnung 25,
ist von verschiedenen Parametern des Erodierverfahrens wie Art,
Form und Verschleiß der
Werkzeugelektrode 51, dem Werkstoff der Spritzlochscheibe 21,
der Art des Dielektrikums 50, 50A und den Größen der
Erodierspannung und der Entladungswerte abhängig. Außerdem ist für die Konizität entscheidend,
welches Länge-Durchmesser-Verhältnis für die Abspritzöffnung 25 gewählt ist.
Gegenüber der
Herstellung beispielsweise zylindrischer Abspritzöffnungen 25 können die
Erodierparameter können unverändert belassen
werden bei gleichbleibender Bearbeitungszeit, da das Gegenspülen mit
dem Dielektrikum 50A keinen Einfluß auf die Einsatzbereitschaft
der Werkzeugelektrode 51 hat. Konisch verlaufende Abspritzöffnungen 25 in
Spritzlochscheiben 21 sind also durch Erodieren gegen die
spätere
Strömungsrichtung
des Brennstoffs von der unteren Stirnseite 52 her bei gleichzeitigem
Gegenspülen
mit einem Dielektrikum 50A von der oberen Stirnseite 19 der
Spritzlochscheibe 21 her einfach und sehr gut herstellbar.